Calidad de la Energa ElctricaEl elevado crecimiento de la
economa en los ltimos aos se ha traducido en una extraordinaria
expansin de energa as como el desarrollo tecnolgico, esto implica
una alta proliferacin de controles y dispositivos electrnicos,
electrodomsticos con elementos de estado slido y cargas no
lineales, tales como hornos o soldadores de arco, sistemas de
traccin elctrica, trenes de laminacin, mquinas elctricas con
controles de estado slido, equipos con ncleos saturables, etc., los
cuales han producido una gran cantidad de perturbaciones en las
ondas de tensin y corriente del sistema elctrico nacional, creando
un nuevo problema denominado perturbaciones elctricas.
Calidad de energa es un trmino utilizado para referirse al
estndar de calidad que debe tener el suministro de corriente
alterna en las instalaciones elctricas, en trminos de:-Tensin o
voltaje constante-Forma de onda sinusoidal-Frecuencia
constanteActualmente en el Per se cuenta con la Norma Tcnica de
Calidad de los Servicios Elctricos (NTCSE) aprobada en octubre de
1997, en la que se establecen las disposiciones que fijan los
estndares mnimos de calidad que garanticen a losusuarios un
suministro elctrico continuo, adecuado, confiable y oportuno. La
Norma tambin establece que los usuarios finales de la energa
elctrica estn obligados a cumplir ciertos requerimientos mnimos que
aseguren una buen empleo de la energa elctrica y que no ocasionen
perturbaciones en las redes elctricas.La causa de estas
perturbaciones se debe principalmente al auge de la electrnica de
potencia que en los ltimos aos han permitido un uso ms eficiente de
la energa elctrica y aumentos considerables en la productividad de
los procesos industriales pero, por otra parte, han provocado una
situacin problemtica, a veces grave, donde las corrientes armnicas
generadas por los propios equipos electrnicos distorsionan la onda
de corriente sinusoidal original y perturban la operacin de estos
mismos equipos, provocando adems, calentamientos excesivos y
prdidas de energa en mquinas elctricas, conductores y dems equipos
del sistema elctrico. El problema no slo puede sufrirlo el propio
usuario propietario de equipos generadores dearmnicas, sino que a
travs de las lneas de distribucin y de transmisin puede propagarlo
a otros usuarios de la red elctrica.Los parmetros de calidad de
producto definidos por la Norma Tcnica de Calidad, son los
siguientes:Tensin:Las tolerancias admitidas sobre las tensiones
nominales de los puntos de entrega, en todas las etapas y en todos
los niveles de tensin, es de hasta el5.0% de las tensiones
nominales de tales puntos.Frecuencia:Variaciones sostenidas de
frecuenciaPerturbaciones:a) Tensiones armnicas individuales. El
Factor de Distorsin total de tensiones armnicas (THD) no debe
superar el 3% para tensiones mayores de 60 kV y 5% para tensiones
menores de 60 kV.b) Flcker
DNDE PUEDE ORIGINARSE LA MALA CALIDAD DE ENERGA.Puede tener dos
orgenes:El primero, en la acometida de la red elctrica que alimenta
la instalacin por deficiencias del suministro. El segundo, en la
propia instalacin.Los equipos electrnicos modernos (computadoras,
variadores de frecuencia, UPS, balastos electrnicos) utilizan un
dispositivo de electrnica de potencia (diodos, transistores y
tiristores) que convierten la corriente alterna en corriente
directa y trabajan en un modo de interrupcin (switching), que
funciona a manera de pulsaciones que no tienen forma de onda de
voltaje sinusoidal.Aproximadamente el 50% de la energa pasa por
estos dispositivos antes de ser finalmente aprovechada.Al resultar
corrientes no sinusoidales se produce la distorsin armnica y
consumos no lineales.Problemas que genera la mala calidad de
energa-Generacin de corrientes armnicas-Fugas de corrientes en la
red de tierra-Variaciones de voltajeEstos fenmenos tcnicos ocurren
por dos razones principalmente:-La instalacin de equipo electrnico
en un ambiente determinado sin haber hecho las modificaciones
necesarias en la instalacin elctrica, de tal manera que no hay un
equilibrio entre el consumo de energa y la instalacin que soporta
este consumo.-La construccin de edificaciones sin el conocimiento
de la carga elctrica que se requerir.4.REGULACIN DE VOLTAJELa
regulacin de voltaje es una de las caractersticas relevantes de la
calidad de la red elctrica.La causa principal para definir las
variaciones de voltaje, con respecto al valor nominal, se relaciona
con garantizar el funcionamiento de equipos en rangos
especficamente determinados. Los equipos que son ms afectados por
una mala regulacin de voltaje son las luminarias (que disminuyen su
vida til cuando el voltaje crece) y los motores elctricos (que
aumentan sus prdidas y arrancan con dificultad cuando el voltaje es
bajo).Las variaciones tpicas de voltaje son las siguientes:-Pico de
alto voltaje.-Cadas de voltaje.-Parpadeo de voltaje.Prevenir o
solucionar estos problemas-Circuitos dedicados para equipo
electrnico especial con sus correspondientes instalaciones de back
up como por ejemplo UPS.-Empleo de conductores adecuadamente
dimensionados.-Compensacin del factor de potencia.-Un sistema de
conexin a tierra con un buen diseo y mantenimiento.-Instalacin de
eliminadores de sobretensin para proteccin de reas claves.5.
FLUCTUACIONES DE VOLTAJELas fluctuaciones de voltaje no slo
incrementan momentneamente las prdidas I2R por calor sino que en
mayor grado afectan el funcionamiento, rendimiento y vida til de
los equipos conectados al sistema. Estas fluctuaciones son causadas
principalmente por grandes cargas fluctuantes como los equipos de
soldadura.El primer mtodo bsico para manejar el problema y reducir
sus efectos sera instalar un alimentador o subestacin separada para
este tipo de cargas; este mtodo tiende a aislar elctricamente la
carga fluctuante de la carga que requiere voltaje uniforme.Si esto
no fuera posible, la variacin brusca de corriente deber limitarse a
un mnimo, el arranque de motores con voltaje reducido ayuda a
reducir la cada de voltaje lo mismo que la corriente de arranque.
Existen varios mtodos de arranque a voltaje reducido y su seleccin
para el caso determinado depende del tamao y tipo de carga, niveles
de fallo y otras consideraciones. Si las fluctuaciones persisten es
recomendable utilizar equipos de regulacin de voltaje de alta
velocidad, como un transformador estabilizador de voltaje delante
del equipo de soldadura.La fuente de voltaje para los equipos de
soldadura no deber variar ms del 10%, por debajo del valor nominal
durante la soldadura. Una fuente de energa inadecuada puede causar
una soldadura lenta o incluso malas soldaduras. Este punto adquiere
mayor importancia cuando la carga de soldadura representa una
porcin considerable de la carga total de la planta.
Parametros de Calidad de Energia1.- Transitorios1.TRANSITORIOS
DE VOLTAJELos transitorios de voltaje son variaciones rpidas
asociadas con las maniobras de interruptores, fallas o
sobre-voltajes inducidos debido a las descargas elctricas
atmosfricas.Los transitorios de voltaje a diferencia de las
variaciones lentas y rpidas de voltaje, no conservan la frecuencia
fundamental, son seales de alta frecuencia, generalmente presentan
sobre-voltajes de valores considerables que ponen a prueba la
rigidez dielctrica de los aislamientos de los equipos e
instalaciones elctricas.Los transitorios se pueden clasificar
dentro de dos categoras: Impulsivos Oscilatorios
1.1.Transitorios impulsivosUn transitorio impulsivo es un cambio
sbito a diferente frecuencia de la fundamental, en estado
estacionario, de voltaje o corriente y es unidireccional en
polaridad (principalmente positivo o negativo).Los transitorios
impulsivos son a menudo caracterizados por sus tiempos de elevacin
y decaimiento, que pueden ser descritos por su contenido espectral.
Por ejemplo, un transitorio impulsivo de 1.2 x 50-ms 2000 V,
nominalmente se eleva desde cero a su valor pico de 2,000 V en 1.2
ms y entonces decae a la mitad de su valor pico en 50-ms. La causa
ms comn de transitorios impulsivos son las descargas elctricas
atmosfricas.
1.2.Transitorios oscilatoriosUn transitorio oscilatorio es un
cambio sbito a diferente frecuencia de la fundamental, en la
condicin de estado estacionario de voltaje o corriente o ambos que
incluye tanto valores de polaridad negativos como positivos.Un
transitorio oscilatorio consiste de un voltaje o una corriente,
cuyo valor instantneo cambia rpidamente de polaridad. Se describe
por su contenido espectral (frecuencia predominante), duracin y
magnitud.La seleccin de los rangos de frecuencia de esta
clasificacin es para que coincidan con los tipos comunes de
fenmenos transitorios oscilatorios en las redes elctricas.
2.Variaciones de voltaje de corta duracin (interrupciones, SAGS
Y SWELLS DE VOLTAJE)Las variaciones de voltaje de corta duracin son
causadas por condiciones de falla, la energizacin de grandes cargas
que requieren altas corrientes de arranque o la prdida de
conexiones en el cableado del sistema elctrico. Dependiendo del
sitio de la falla y de las condiciones del sistema elctrico, la
falla puede causar depresiones de voltaje temporal (sags),
elevaciones de voltaje (swells) o una prdida completa del voltaje
(interrupciones). La condicin de falla puede estar cercana o remota
al punto de inters. En cualquier caso, el impacto sobre el voltaje
durante la condicin de falla es una variacin de corta duracin,
hasta que los dispositivos de proteccin operan para liberar la
falla.2.1.Sags de voltajeLos sags de voltaje estn asociados con
fallas en el sistema, pero pueden tambin ser causados por maniobras
de cargas grandes o arranques de motores grandes (generalmente de
una variacin de larga duracin).
Figura. Sag de voltaje.2.2.Swells de voltajeLos swells estn
asociados con las condiciones de falla del sistema pero no son tan
comunes como los sags de voltaje. Una forma en que un swell se
puede presentar en la elevacin del voltaje temporal es sobre las
fases no falladas durante una falla lnea a tierra.
Figura. Swell de voltaje.2.3.InterrupcinLas interrupciones
pueden ser el resultado de fallas en los sistemas de potencia,
fallas en el equipo y mal funcionamiento de los controles. Las
interrupciones se miden por su duracin, puesto que la magnitud del
voltaje es siempre menor del 10 % del nominal. La duracin de una
interrupcin debido a una falla en el sistema de la suministradora
se determina por el tiempo de operacin de los dispositivos de
proteccin de la compaa suministradora.
Figura. Interrupcin del suministro elctrico de 0.17 segundos
aproximadamente.3.VARIACIONES DE VOLTAJE DE LARGA
DURACIN(interrupciones, BAJO VOLTAJE Y SOBRE-VOLTAJE)Las
variaciones de larga duracin consideran las desviaciones rms (raz
media cuadrtica) a la frecuencia del sistema elctrico para tiempos
mayores de 1 minuto. La norma ANSI C84.1-1999 especifica las
tolerancias del voltaje en estado estacionario que se esperan del
sistema de potencia. Una variacin de voltaje se considera de larga
duracin cuando los lmites ANSI se exceden por ms de 1 minuto.
Figura. Rangos de voltaje ANSI para servicio en 120
V.3.1.Sobre-voltajesLos sobre-voltajes son el resultado de la
maniobra de la carga (es decir, el switcheo para dejar fuera una
carga grande), las variaciones en la generacin del sistema, o
variaciones en la compensacin reactiva sobre el sistema (es decir,
el switcheo para conectar al banco de capacitores).Los
sobrevoltajes resultan debido a que el sistema es muy dbil para la
regulacin deseada de voltaje o los controles de voltaje son
inadecuados. Los ajustes incorrectos de los taps sobre los
transformadores tambin pueden resultar en sobre-voltajes.3.2.Bajos
voltajesLos bajos voltajes son el resultado de eventos que son lo
contrario a los que causan sobre-voltajes. Agregando una carga,
switcheando para remover un banco de capacitores causar un bajo
voltaje hasta que el equipo de regulacin de voltaje en el sistema
pueda traer de regreso al voltaje dentro de sus tolerancias. Los
circuitos sobrecargados pueden resultar en bajos voltajes tambin.
El arranque de motores tambin es una de las causas ms comunes de
bajo voltaje.3.3.INTERRUPCIONES SOSTENIDASCuando el voltaje de
suministro es cero, por un periodo de tiempo que excede a 1 minuto,
la variacin de voltaje de larga duracin se considera una
interrupcin sostenida. Las interrupciones de voltaje ms grandes de
1 minuto son a menudo permanentes y requieren de la intervencin
humana para reparar el sistema para su restauracin.Las
interrupciones son el resultado de fallas en el sistema de
potencia, fallas en el equipo, dficit de generacin, mal
funcionamiento de los controles y del mantenimiento programado. Las
interrupciones se miden por su duracin y la magnitud del voltaje es
siempre o casi cero.4.RUIDO ELCTRICOEl ruido elctrico se define
como seales elctricas no deseadas con contenido espectral de banda
amplia menor de 200 kHz sobrepuestas sobre la corriente o voltaje
del sistema elctrico en los conductores de fase, en los conductores
del neutro o en las lneas de seales. Bsicamente, el ruido consiste
de cualquier distorsin no deseada de seales de energa que no se
pueden clasificar como transitorios o distorsin armnica. El ruido
en redes elctricas es causado principalmente por dispositivos de
electrnica de potencia, circuitos de control, equipo de arqueo
(soldadoras, punteadoras, hornos de arco, etc) cargas con
rectificadores de estado slido y suministro de energa conmutada.
Los problemas de ruido se incrementan de manera considerable por la
inadecuada puesta a tierra.El rango de frecuencia y nivel de
magnitud del ruido depende de la fuente que lo produce y las
caractersticas del sistema elctrico. La magnitud tpica del ruido es
menor del 1% de la magnitud del voltaje. Los disturbios por ruido
afectan principalmente los dispositivos electrnicos tales como
minicomputadoras y controladores programables. Los problemas
causados por el ruido se pueden mitigar a menudo con filtros,
transformadores de aislamiento y acondicionadores de lnea.La norma
IEEE 518-1982, Guide for the Installation of Electrical Equipment
to Minimize Electrical Noise Inputs to Controllers from External
Sources, se desarroll especficamente para documentar los impactos y
mtodos para controlar el ruido elctrico.El ruido puede ocurrir en:
Modo comn o Modo normalEl ruido en modo comn se puede eliminar con
el uso de transformadores de aislamiento mientras que el ruido en
modo normal requiere de filtrado o acondicionadores de lnea. Las
buenas prcticas de cableado y de puesta a tierra impactan de manera
significativa sobre los niveles de ruido que experimentan ciertas
cargas. El mtodo adecuado para controlar el ruido, depende
principalmente del mtodo de acoplamiento, el rango de frecuencia
del ruido y la susceptibilidad del equipo que se desea
proteger.
5.VARIACIONES DE LA FRECUENCIALas variaciones de la frecuencia
se definen como la desviacin de la frecuencia fundamental del
sistema elctrico de su valor nominal (es decir, 50 o 60 Hz).La
frecuencia del sistema elctrico est relacionada directamente con la
velocidad rotacional de los generadores que suministran de energa a
la red. Existen ligeras variaciones en la frecuencia debido
principalmente al balance dinmico entre los cambios de generacin y
carga. El tamao de la variacin en la frecuencia y su duracin
depende de las caractersticas de la carga y la respuesta del
sistema de control de generacin a los cambios en la carga. La
figura siguiente ilustra las variaciones de la frecuencia para un
periodo de 24 horas sobre un bus tpico en 13 kVs de una
subestacin.Las variaciones de la frecuencia que salen de los lmites
aceptados por la normatividad internacional, para la operacin
normal en estado estacionario de los sistemas elctricos pueden
causar fallas en el sistema de transmisin, en la carga y otras
fuentes de generacin.
Figura. La tendencia de la frecuencia en 24 horas en un bus
deuna subestacin en 13 kVs.6.Distorsin armnicaLa distorsin de la
forma de onda se define como una desviacin en estado estacionario
de una onda senoidal a la frecuencia del sistema, principalmente se
caracteriza por el contenido espectral de la desviacin. Existen
cinco tipos principales de distorsin de la forma de onda. Offset de
CD Armnicas Interarmnicas Resaque6.1.Offset de CDLa presencia de un
voltaje o corriente de CD en un sistema de potencia de CA se
determina por un offset de CD. Esto se puede presentar como el
resultado de un disturbio geomagntico o asimetra de los
convertidores de electrnica de potencia. La corriente directa en
redes de CA puede tener un efecto perjudicial para los ncleos de
los transformadores, porque se saturan en operacin normal. Esto
causa calentamiento adicional y prdidas en la vida del
transformador.6.2.ArmnicasLas armnicas son voltajes o corrientes
senoidales que tienen frecuencias que son enteros mltiplos de la
frecuencia del sistema de suministro (la frecuencia fundamental; 50
o 60 Hz). Las formas de onda peridicamente distorsionadas se pueden
descomponer en una suma de la frecuencia fundamental y las
armnicas. La distorsin armnica se origina por las caractersticas no
lineales de los dispositivos y cargas sobre la red elctrica.Los
niveles de distorsin armnica se describen por el espectro completo
de armnicas con magnitudes y ngulos de fase de cada componente. Es
comn usar una cantidad, distorsin armnica total (en ingls, THD)
como una medida del valor efectivo de distorsin armnica.La
distorsin armnica existe debido a las caractersticas no lineales de
dispositivos y cargas sobre las redes elctricas. Esos dispositivos
no lineales caen dentro de una de las tres categoras siguientes:
Electrnica de potencia Dispositivos ferromagnticos (es decir,
transformadores) Dispositivos de arco.
Figura. Ejemplo de una forma de onda distorsionada como
resultado de la superposicin de la fundamental ms la tercera
armnica.6.2.1.Voltaje armnicosLa distorsin armnica de voltaje se
caracteriza por la distorsin total en el voltaje como se defini
anteriormente. La distorsin de voltaje es causada por la interaccin
de las cagas no lineales (corrientes armnicas generadas) con las
caractersticas de la impedancia del sistema de potencia. Se tiene
un inters especial cuando se presentan las condiciones de
resonancia en el sistema de potencia que causar la magnificacin de
las corrientes armnicas y altos niveles de distorsin de
voltaje.6.2.2.Corrientes armnicasLas corrientes armnicas son
causadas por la operacin de los dispositivos o equipo no lineal en
el sistema elctrico.6.3.Inter-armnicasSon los voltajes y las
corrientes que tienen componentes de frecuencia que no son enteros
mltiples de la frecuencia fundamental (es decir, 50 o 60 Hz) y se
denominan inter-armnicas. Pueden aparecer como frecuencias
discretas o como un espectro de banda amplia. Las inter-armnicas se
pueden encontrar en las redes elctricas a todos los niveles de
tensin. Las fuentes principales de inter-armnicas son los
convertidores estticos de frecuencia, los cicloconvertidores, los
hornos de induccin y los dispositivos de arco.6.4.ResaqueEl resaque
es un disturbio peridico de voltaje causado por la operacin normal
de los dispositivos de electrnica de potencia cuando la corriente
es conmutada de una fase a otra.Puesto que el resaque se presenta
de manera continua, se puede caracterizar a travs del espectro
armnico del voltaje afectado. Sin embargo, se trata como un caso
especial. Las componentes de frecuencia asociadas con el resaque
pueden ser muy altas y no se pueden caracterizar rpidamente con el
equipo de medicin que normalmente se usa para anlisis armnico.
Calidad deEnerga
La norma europea Electromagnetic compatibility (EMC) IEC
61000-4-30-2008: Testing and measurement techniques Power quality
measurement methods, define calidad de la energa elctrica como las
caractersticas de la electricidad en un punto dado de una red de
energa elctrica, evaluadas con relacin a un conjunto de parmetros
tcnicos de referencia, mientras que la norma norteamericana IEEE
1159-2009, Recommended Practice for Monitoring Electric Power
Quality, define la calidad de la energa elctrica como una gran
variedad de fenmenos electromagnticos que caracterizan la tensin y
la corriente en un instante dado y en un punto determinado de la
red elctrica.SagDistorsin armnica
SwellRuido elctrico
Interrupcin del suministroVariaciones de frecuencia
TransitoriosVariaciones de voltaje de larga duracin
